А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 13

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

3.13 Вибір теплообмінного обладнання ректифікаційної установки

Основним теплообмінним обладнанням ректифікаційної колони є кип'ятильник-випарник і конденсатор-дефлегматор.

Теплове навантаження кип'ятильника визначають за залежністю (3.52), поверхню теплообміну кип'ятильника визначають із основного рівняння теплопередачі, при цьому

Р2 _^2-, (3.61)

к1ср 2

де Кк - коефіцієнт теплопередачі в кип'ятильнику, Вт/(м 'К); А?ср - середня різниця температур у кип'ятильнику, у цьому випадку А?ср = (?к - ?„); ік , іи - температури кон­денсації гріючої пари та кипіння ВКК відповідно.

Теплове навантаження конденсатора-дефлегматора визначають за залежністю (3.59), відповідно до основного рівняння теплопередачі по­верхня конденсатора - холодильника дорівнює

ркд _-%-, (3.62)

де Ккх - коефіцієнт теплопередачі в конденсаторі-дефлегматорі, Вт/(м2'К); А?срд - сере­дня логарифмічна різниця температур у конденсаторі-дефлегматорі, оС.

Розрахунок коефіцієнтів теплопередачі в теплообмінних апаратах проводять за звичайною методикою [6, 7, 10, 11, 15], вибір конструкції теплообмінника роблять за каталогами на теплообмінне обладнання.

Приклад 3.2. Для умов прикладу 3.1 визначити теплові навантаження кипятиль­ника - випарника і конденсатора, витрати гріючої пари, що подають в кипятильник під тиском Ргп = 0,3 МПа, та витрати води в конденсаторі, якщо флегма подається в ректи­фікаційну колону при температурі конденсації бензолу.

Розв'язання. 1. За формулою (3.52) визначаємо кількість тепла, що потрібна для випарювання частини кубового залишка в кип'ятильнику,

Я2пп _ вл +1) • тж _ 811,9(3,144 +1) • 362 _ 338,32 кВт, 3600

де т„ - питома теплота випаровування толуолу, т„ = 363 кДж/кг [див. додатки, табл. Д.13].

2. Витрату гріючої пари в кип'ятильнику визначаємо за формулою (3.53), при цьому отримали

Д _ в,(Я + 1)тк /тж _ 22пп /тж _ 338,32/2171 _ 0,1558 кг/с = 561 кг/г, де тгп - питома теплота конденсації гріючої пари, тгп = 2171 кДж/кг [табл. Д.4].

3. Визначимо теплове навантаження конденсатора за формулою (3.59)

(2^ _ вл + 1)(Нр - сліл) _ вл (Я +1) • тл _ 811-9-(3,144 +1) • 393,8 = 368 кВт,

3600

де т, - питома теплота конденсації бензолу в холодильнику - конденсаторі, т, = 393,8 кДж/кг [див. додатки, табл. Д.13].

4. Визначимо витрату холодної води в конденсаторі за формулою (3.60)

Ш _ в, + 1)т„/с, (?„ - іне ) _ (2^ / се (?кЄ - іне ) = 368 /4,19(38 - 22) = 5,49 кг/с ,

де їнв, ?кв - початкова і кінцева температури охолоджувальної води відповідно, прий­нято ?м = 22оС, ?кв = 38оС.

Відповідь. 1. Теплові навантаження апаратів такі: кипятильника (22гп = 338,32 кВт; холодильника - конденсатора Цк1 = 368 кВт. 2. Витрата гріючої пари в кипятильнику складає Вгп = 0,1558 кг/с = 561 кг/г; витрата холодної води в конденсаторі складає Ш = 5,49 кг/с = 19764 кг/г.

3.14 Послідовність розрахунку ректифікаційної колони

Розрахунок ректифікаційної установки (РУ) безперервної дії для розділення бінарної суміші є складним багатоетапним завданням.

На першому етапі звичайно проводять технологічний розрахунок процесу ректифікації і технологічний розрахунок колони, на другому етапі виконують конструктивний розрахунок колони, на третьому етапі проводять вибір допоміжного теплообмінного обладнання.

Вихідними даними для розрахунку РУ є: назва і концентраційний склад вихідної суміші, продуктивність установки і вміст компонентів у продуктах поділу, температура вихідної суміші і використовуваний в колоні тиск, а також температура продуктів поділу, що відводяться.

Розрахунковими величинами є: витрата і склад продуктів поділу, витрата потоків взаємодіючих фаз у колоні; витрата теплоносіїв (грію­чої пари, води або повітря для охолодження); кількість теоретичних і практичних тарілок залежно від типу контактних пристроїв, діаметр колони, висота окремих частин колони і апарата в цілому.

Проектний розрахунок РУ виконують у такій послідовності:

1) вибирають технологічну схему РУ на базі практики експлуатації подібних установок у промисловості, попередньо обґрунтовують та ви­бирають тип контактних пристроїв ректифікаційної колони;

2) визначають та уточнюють дані щодо фізико-хімічних властивос­тей поділюваної суміші з урахуванням тиску в колоні, будують криві рівноваги для бінарної суміші в координатах Т-Х-У та У-Х для заданого тиску, визначають середні параметри властивостей рідини і пари в пе­ретинах колони (густину, в'язкість, коефіцієнти дифузії та ін.);

3) визначають масові витрати одержуваних продуктів з урахуванням заданих концентрацій компонентів;

4) проводять розрахунок оптимального флегмового числа та визна­чають витрати внутрішніх матеріальних потоків у колоні (масові і об'ємні витрати пари, витрати рідини і флегми), проводять побудову робочих ліній процесу у верхній і нижній частинах колони;

5) визначають робочу швидкість пари в колоні з урахуванням типу контактного пристрою і розраховують діаметр колони;

6) визначають витрати енергоносіїв (гріючої пари і холодоагентів) для нормальної роботи РУ.

Проектно-конструкторський і гідравлічний розрахунок колони включає такі етапи:

1) вибір відстані між тарілками з урахуванням типу тарілок, необ­хідності їх очищення і періодичного ремонту;

2) уточнення робочих швидкостей пари по висоті з урахуванням кі­лькості стікаючої рідини у верхній і нижній частинах колони;

3) остаточний вибір діаметра нижньої і верхньої частин колони;

4) проводять розрахунок коефіцієнтів масовіддачі і масопередачі у взаємодіючих фазах по висоті колони;

5) будують кінетичну криву процесу ректифікації і визначають чис­ло практичних тарілок;

6) проводять розрахунок гідравлічного опору для всієї колони;

7) визначають розрахункову висоту колони з урахуванням додатко­вих пристроїв і сепараційних просторів;

8) проводять розрахунок і вибір допоміжного обладнання РУ.

3.15 Ректифікація багатокомпонентних сумішей

Ректифікацію багатокомпонентних рідких сумішей із взаємно роз­чинними компонентами звичайно проводять послідовно в декількох ко­лонах, при цьому в першій колоні виділяється один із компонентів сумі­ші з температурою кипіння, що помітно відрізняється від температур ки­піння інших компонентів. Отриману і відведену з першої колони складну суміш розділяють методами ректифікації в наступній колоні і ці процеси багаторазово повторюють.

Кількість ректифікаційних колон в багатоступеневих РУ на одиницю менша числа компонентів, що входять у поділювану складну суміш.

Деякі з можливих схем ректифікаційних установок для поділу трьох- і чотирьохкомпонентних сумішей подані на рис. 3.13.

Рис. 3.13 - Принципові схеми з'єднань ректифікаційних колон для розділення трьох - і чотирьохкомпонентних сумішей:

Потоки: РС - розділювана вихідна суміш; А, В, С, D - компоненти суміші при поступовому підвищенні їхніх температур кипіння відповідно;

а, б - трьохкомпонентні суміші; в, г, д, е - чотирьохкомпонентні суміші; 1, 2, 3 - умовні номери ректифікаційних колон

При виборі схеми з'єднань колон РУ враховують індивідуальні вла­стивості компонентів поділюваної суміші.

Так, на рис. 3.13 а компоненти В і С є менш летючими, ніж компо­нент А, тому цей компонент відразу виділяють в першій колоні, а кубо­вий залишок, що містить компоненти В і С, розділяють в другій колоні.

На схемі (рис. 3.13 б) висококиплячий (важколетючий) компонент С стікає в кубовий залишок і тому він виділяється в першій колоні. В па­рову фазу йдуть компоненти А і С, які розділяються в другій колоні, при цьому компонет А є більш летючим, ніж компонент В.

Зі збільшенням числа компонентів у поділюваній суміші зростає і число варіантів схем з'єднання колон. Так, на схемах в - е подані варі­анти з'єднання колон для поділу чотирьохкомпонентної суміші з темпе­ратурою кипіння компонентів, що поступово підвищується від А до Д.

На схемі (рис. 3.13 в) у кожній наступній колоні виділяються компо­ненти з температурою кипіння, що підвищується, у той час, як на рис. 3.10 е в першій колоні в кубовій частині виділяють висококиплячий ком­понент Д, а в подальших колонах виділяють компоненти з температурою кипіння, що поступово знижується. У таких установках також можливезниження тиску в напрямку від першої колони до останньої (установки зі спадним режимом тиску), що покращує розділову здатність колон.

В практиці нафтопереробної промисловості для розділення багато­компонентних сумішей знайшли застосування складні ректифікаційні колони, які заміняють ланцюжок послідовно з'єднаних простих колон, з'єднаних певним способом в єдиний агрегат.

На рис. 3.14 а показана складна колона з відбиранням додаткових продуктів із окремих частин колони потоками бічних погонів, що від­бирають у вигляді парової фази, яку затим направляють на конденса­цію. Таким чином, ця складна колона являє собою три окремі колони, які з'єднані в одному агрегаті, що значно спрощує обв'язку колони і вимагає менше місця для її установлювання і обслуговування.

Рис. 3.14 - Схеми складних ректифікаційних колон:

в - з боковим відбором продуктів; б - з відбором продуктів із стріпінг-секцій;

Потоки: РС - розділювана суміш; А, В, С, D - компоненти суміші; П - пара водяна;

1 - основна колона; 2 - конденсатор; 3, 6, 7 - випарник; 4, 5 - відпарні колони (стріпінг-секції)

РС

1-

п

в

-»-с

та

На рис. 3.14 б показана складна колона іншого типу, що представ­ляє собою агрегат, у якому на закріплювальну частину першої колони встановлюють закріплювальна частина другої колони та т.д. Відгінні частини другої і наступної колон виконуються у вигляді окре­мо винесених апаратів, які називають відпарними секціями (стріппінг-секціями), що пов'язані з основними потоками рідини і пари у колоні.

Всі секції основної складної колони служать як концентраційні час­тини простих колон, відгінними частинами колони є відпарні секції, ці­льові продукти відводяться з нижньої частини стріппінг-секцій.

Для додаткового обігрівання і збільшення чіткості поділу продуктів у колону, а також у стріппінг-секції подають водяну пару, що знижує об'ємну витрату висхідної пари виділюваних вуглеводнів.

Складні колони в основному застосовують для розділення багатоко­мпонентної суміші на продукти, коли не потрібна висока чіткість поді­лу продуктів.

Розрахунок процесу ректифікації багатокомпонентної суміші в складній колоні проводять як для декількох простих ректифікаційних колон, у кожній з яких сировина, що надходить, ділиться на два проду­кти. Кожний із продуктів ототожнюється з умовним низькокиплячим компонентом (НКК), що йде в ректифікат, і умовним висококиплячимкомпонентом (ВКК), що йде в кубовий залишок. Ці умовно прийняті продукти називають ключовими компонентами і стосовно них ведуть розрахунок числа тарілок колони, хоча такий розрахунок значною мірою є наближеним [15, 20, 27, 28].

Найбільш надійним методом розрахунку колон для поділу багато­компонентних сумішей є розрахунок від тарілки до тарілки на основі фазової рівноваги в окремих системах пара - рідина, а також з викорис­танням рівнянь матеріального і теплового балансу щодо окремих ком­понентів поділюваної суміші.

3.16 Спеціальні методи поділу сумішей ректифікацією

Необхідність розділення сумішей із близькими температурами кипіння компонентів і з невеликими значеннями пружності пари, а також сумішей, що утворюють азеотропи, призвело до розробки спеціальних методів. До таких методів належить азеотропна, екстрактивна і сольова ректифікація.

Азеотропом називають бінарний розчин з певною концентрацією компонентів у рідині, при кипінні якого концентрація компонентів у паровій і рідкій фазах залишається однаковою, і отже, парова фаза не збагачується легколетючим компонентом.

Застосування азеотропної ректифікації передбачає руйнування по­чаткового азеотропу за допомогою використання додаткового легколе-тючого агенту, що утворює із компонентами вихідної суміші або пра­вильний трикомпонентний розчин або новий азеотроп з іншим співвід­ношенням розділюваних компонентів порівняно з вихідною сумішшю. При утворенні трикомпонентного розчину останній розділяють звичай­ними методами ректифікації у двоколонній установці. Зниження тиску в ректифікаційній колоні також може перемістити азеотропну точку і сприяти розділенню азеотропної суміші. В іншому випадку ректифіка­цією виділяють один з компонентів, а азеотропну суміш розділяють іншими методами (наприклад, відстоюванням і декантацією).

При екстрактивній ректифікації у вихідну суміш додають новий (розділовий - екстрагуючий) компонент, що вибірково поглинає один з компонентів вихідної суміші, або змінює летючість компонентів у но­воутвореній трьохкомпонентній суміші. Наприклад, для руйнування азеотропної суміші етанол - вода при концентрації в ній біля 94 % ета­нолу, використовують бензол, який утворює з етанолом більш летючий розчин і трикомпонентний азеотроп з водою. Утворений розчин і азео-троп розділяють у двоколонній ректифікаційній установці, при цьому обезводнений етанол виводять із кубової частини першої колони.

Як допоміжний розділовий компонент іноді використовують сіль, яка добре розчиняється в одному з компонентів вихідної суміші, при цьому знижується пружність пари цього компонента над розчином. Процес використання добре розчинних солей з метою зміни летючості пари компонентів над розчином та розділення його методами ректифі­кації називають сольовою ректифікацією [1, 9, 41].

Наприклад, використанням хлориду кальцію при ректифікації роз­чину етанол - вода можна одержати на установці абсолютний етиловий спирт. Найбільш ефективною сферою використання процесу сольової ректифікації є відділення речовин із розбавлених розчинів. Позитивною якістю цього методу є економна витрата тепла та можливість отриман­ня цільового компоненту високої чистоти без домішки розділяючого агенту.

Запитання і вправи для самостійної роботи

1. Який процес називають дистиляцією, у чому полягає його фізична сутність?

2. Який процес називають ректифікацією, у чому полягає його фізична сутність? У чому полягають відмінності між дистиляцією і ректифікацією?

3. Які фізичні властивості компонентів розчину характеризують їх розділову здат­ність при дистиляції?

4. Які фізичні закони використовують при оцінці фазової рівноваги в системах ріди­на - пар? Запишіть і сформулюйте закони Рауля і Дальтона.

5. Які параметри процесу і як впливають на фазову рівновагу в системі рідина - пар?

6. Які діаграми фазової рівноваги Ви знаєте? Нарисуйте основні з них і поясніть пра­вила користування ними.

7. Нарисуйте і розкажіть принцип роботи установки простої дистиляції. Які мето­ди простої дистиляції і коли використовують у промисловості?

8. Нарисуйте і поясніть принцип дії установки безперервної ректифікації.

9. Нарисуйте схему ректифікаційної колони, розкажіть про принцип ректифікації і про взаємодію потоків у ректифікаційній колоні.

10. Складіть рівняння матеріального балансу ректифікаційної колони і виведіть зале­жності для визначення кількості одержуваних продуктів.

11. Який продукт називають дистилятом, а який кубовим залишком та де їх одержу­ють? Чим відрізняються між собою дистилят і кубовий залишок?

12. Виведіть рівняння робочої лінії процесу ректифікації для верхньої частини колони?

У чому полягає фізична сутність рівняння робочої лінії?

13. Побудуйте на діаграмі У - X криву рівноваги для бінарного розчину і робочі лінії процесу безперервної ректифікації. Як впливає тиск у колоні на положення кривої рівноваги і на температури кипіння розчину?

14. Що називають флегмою і яку роль вона відіграє в роботі колони? Що називають флегмовим числом ректифікаційної колони?

15. Що виражають мінімальне, робоче і оптимальне флегмові числа ректифікаційної колони, як вони впливають на розміри (діаметр та висоту) колони?

16. Як знайти кількість теоретичних і практичних тарілок ректифікаційної колони безперервної дії?

17. Складіть систему рівнянь теплового балансу ректифікаційної колони. Як визначи­ти витрату гріючої пари для роботи ректифікаційної колони?

18. Складіть рівняння теплового балансу для кип'ятильника ректифікаційної колони. Навіщо, що і скільки випаровують у кип'ятильнику ректифікаційної колони?

19. Складіть рівняння теплового балансу для конденсатора-дефлегматора ректифі­каційної колони? Навіщо, що і скільки конденсують у дефлегматорі?

20. Яким чином з допомогою ректифікації розділяють багатокомпонентні суміші? Нарисуйте схеми з'єднань ректифікаційних колон для розділення трикомпонент­ної суміші і розкажіть про принцип їх роботи.

РОЗДІЛ 4

БУДОВА, ПРИНЦИП РОБОТИ ТА РОЗРАХУНОК МАСООБМІННИХ КОЛОН

Колонні масообмінні апарати переважно призначені для проведення процесів абсорбції, десорбції, дистиляції і ректифікації. Принципово ці апарати влаштовані однаково, відмінність між ними складається в типі контактних пристроїв, у наявності всередині апарата додаткових вузлів, а також у наявності додаткових патрубків для уведення сировини в ко­лону і відведення проміжних потоків і продуктів.

Класифікаційні ознаки масообмінних колон (МК). Існує декілька методів класифікації контактних пристроїв, найбільш розгорнутими є класифікація за В.В. Кафаровим [4] і за В.Н. Стабніковим [38]. Загаль­ноприйнятої класифікації дотепер нема, та й навряд чи це доцільно через надзвичайно велику кількість класифікаційних ознак, віднесених до тієї або іншої групи.

Сучасні колонні апарати класифікують за наступними основними класифікаційними ознаками:

- за технологічним призначенням (абсорбційні, десорбційні, ректи­фікаційні) та відносному напрямку руху потоків (протитечійні, прямо­точні, зі змішаним рухом та ін.);

- за способом створення поверхні контакту фаз: з фіксованою повер­хнею або з поверхнею, утвореною в процесі роботи;

- за способом організації контакту між газом (паром) і рідиною: плівкові, емульгуючі, барботажні, розпилюючі, ежекторні та ін.;

- за типом колони і устрієм контактних пристроїв: порожнисті (розпи­люючі); насадкові; тарілчасті; інжекційно-контактні; пристрої із зовніш­нім підведенням енергії (відцентрові, пульсаційні, вібраційні) та ін.;

- залежно від застосовуваного робочого тиску в колоні (вакуумні, атмосферні та працюючі під надлишковим тиском).

При виборі конструкції колони та типу контактних пристроїв пере­вагу віддають тим апаратам, які мають відносно просту конструкцію та забезпечують високу ефективність при різних робочих навантаженнях, надійність роботи, низький гідравлічний опір апарата, можливість ро­боти на забруднених середовищах, низьку металоємність, низьку тру­домісткість при виготовленні, монтажі та ремонті [6, 24].

У зв'язку з обмеженим обсягом даної книги розглянемо найпошире­ніші типові конструкції МК.

Серед великої кількості різновидів масообмінного обладнання най­більше поширення отримали колони з фіксованою поверхнею контакту фаз (насадкові та плівкового типу), а також з поверхнею контакту, що розвивається в процесі взаємодії фаз (тарілчасті та розпилюючі).

4.1 Будова і принцип роботи масообмінних колон

Особливості технології різних технологічних процесів пояснюють різноманіття конструкцій використовуваних масообмінних колонних апаратів [1, 3, 20]. Крім того, у конструкціях масообмінних апаратів відбиваються специфічні особливості проведених у них процесів. Тому нижче розглянуті основні типи та пристрої абсорбційно-десорбційних і ректифікаційних колон, що знайшли широке застосування в хімічній і газонафтопереробних галузях промисловості.

4.1.1 Масообмінні колонні насадкові апарати

Насадкові колони широко застосовують у промисловості як апара­ти з безперервним контактом взаємодіючих фаз, при цьому поверхня контакту фаз утворюється на поверхні шару насадки - тілах певного розміру і спеціальної форми, завантажених навалом або викладених ор­ганізовано на опорно-розподільних решітках.

На рис. 4.1 показані деякі типи насадкових абсорберів.

Рис. 4.1 - Будова насадкових абсорберів типів: а - плівкового; б -емульгаційного; в - емульгаційного секціонованого;

Потоки: А - подача абсорбенту; Б - відведення абсорбенту; В - подача газо­вої суміші; Г - відведення очищеного газу;

1 - корпус; 2 - днище; 3 - кришка; 4 - решітка опорна; 5 - розподілюючий пристрій (тарілка типу ТСН-ІП); 6 - шар насадки; 7 - бризковловлювач; 8 - пе-рерозподілююча тарілка типу ТСН-ІІ; 9 - опора; 10 - вентиль

Типовий абсорбер складається із суцільнозварного циліндричного корпуса 1, закритого днищем 2 і знімною кришкою 3, усередині корпу­са на опорній решітці 4 завантажена насадка 6, на яку за допомогою розподільної тарілки 5 подається абсорбент. Абсорбент стікає вниз по шару насадки і взаємодіє з потоком газу (пари), при цьому між газом і рідиною відбувається масообмін, у результаті якого поглинаєтьсякомпонент, що переходить із газової фази в рідину і насичує її, насиче­ний абсорбент відводиться знизу колони. Очищений газ після прохо­дження бризковловлювача 7 відводиться з абсорбера зверху.

B абсорберах, у яких загальна висота шару насадки Нн > 5Da, насад­ку розміщують окремими шарами і установлюють між ними перероз-подільні пристрої 8, основним призначенням яких є відведення абсор­бенту від стінок до центра колони та перерозподіл рідини для створен­ня рівномірної щільності зрошення насадки.

Застосовувані в абсорберах різноманітні види насадок характе­ризуються типом, питомою поверхнею (а, м2/мЗ), еквівалентним діаме­тром (сізк) насадкових тіл, їх формою і вільним об'ємом (є, мЗ/мЗ), а та­кож матеріалом і його змочуваністю.

До насадок пред'являються такі основні вимоги: вони повинні мати велику питому поверхню і достатній вільний об'єм, малу насипну гус­тину і низьку вартість, добру змочуваність, високу корозійну стійкість до абсорбенту та компонентів газової фази.

Зовнішній вигляд деяких типів насадок показано на рис. 4.2. Серед багатьох типів насадок в промисловості найбільшого поши­рення набули керамічні і металеві кільця Рашига і кільця Палля, насад­ка з керамічних сідел Бьорля, сідел "Інталлокс" та ін.

Рис. 4.2 - Зовнішній вигляд деяких типів насадок:

^рамічні: а - кільця Рашига; б - кільця Лессінга з перегородками; д - сідла Бьорля; е - сідла «Інтал­локс»; металеві: в - кільця Палля; г - кільця Рашига; ж - поліетиленові розетки Теллера

Основними перевагами на-садкових абсорберів є: порівня­но простий устрій і конструк­ція, невисокий гідравлічний опір шару насадки, достатня ефективність. Недоліками насадкових абсорберів є невисокі швидкості газового потоку, нерівномірність зро­шення шару насадки і можливість її забивання при надходженні за­бруднених газів та спікання при кислих властивостях абсорбенту.

Гідродинаміка насадкових колон. При протитечійному русі рідини і газу гідродинамічний режим роботи насадкових масообмінних колон залежить від швидкості газу (пари) і від щільності зрошування, при цьому також змінюється і інтенсивність міжфазної взаємодії потоків.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв